长江下游及鄱阳湖长江江豚体内元素累积特征比较

2021-11-17阚雪洋尹登花方昕蔺丹清应聪萍徐跑刘凯

大连海洋大学学报 2021年5期

阚雪洋，尹登花，方昕，蔺丹清，应聪萍，徐跑，刘凯,*

(1.南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡 214081； 2.农业农村部长江下游渔业资源环境科学观测实验站，中国水产科学研究院淡水渔业研究中心,江苏无锡 214081)

长江江豚是一种主要分布于长江中下游干流及洞庭湖和鄱阳湖的小型齿鲸[1]，是世界上唯一的江豚淡水亚种。自2007 年白鱀豚Lipotesvexillifer被宣告功能性灭绝以后，长江江豚已成为长江中栖息的唯一鲸类动物，也是长江水生生态系统是否健康的重要指示物种[2]。从20 世纪80 年代至今，长江中下游干流长江江豚的分布范围呈萎缩趋势，分布呈现相对集中且日益斑块化的特征，各群体间的距离渐趋扩大[3]。长江江豚已升级为国家一级重点保护野生动物，其种群极度濒危，保护形势非常严峻。2017 年长江江豚科学考察结果表明，长江江豚种群数量约为1 012 头，其中干流约445 头，洞庭湖约为110头，鄱阳湖约为457头[4]。如果长江江豚种群数量持续衰退的趋势得不到有效遏制，10余年内长江江豚将重蹈白鱀豚的覆辙，面临功能性灭绝的风险，因此，对于长江江豚的保护研究亟待深入。

重金属由于能够抑制体内各种酶的活性，或取代必需金属元素，常直接干扰或损害生物体的正常生理生化功能，会对生物体产生急性或长期的毒理效应[5]。水体重金属污染具有来源广、累积性强、不易降解，以及污染后不易被发现且难于恢复、容易被食物链富集放大等特点。而鲸类动物通常位于水生态系统食物链顶端，其体内组织器官中元素的分布和累积会受到自身代谢及栖息地环境特征的影响[4]。目前，已有学者对相关物种的元素累积特征进行了研究报道，其中包括对长江江豚重金属元素的摄入与累积研究[6]，也包括对东亚江豚[4]、印太江豚[7]和长江江豚[8-9]等死亡个体组织器官累积特征的研究。由于中国鲸类动物均为国家重点保护野生动物[10]，自然种群数量均较为稀少，野外死亡个体也不易获得，因此，总体上相关的研究报道较少。

在长江江豚的主要分布水域，每年均有野外死亡个体的报道，根据《长江流域渔业生态公报》，2016、2017、2018年分别发现死亡江豚35、29、49头。农业农村部长江流域渔政监督管理办公室管理要求中规定：有关负责单位应及时处理长江江豚死亡样本，科学分析死亡原因，制定科学有效的保护措施。作为上述工作的重要内容之一，本研究中通过较为系统地采样测定和统计分析，探究了长江下游至鄱阳湖水域死亡长江江豚体内元素累积特征，为后期结合长江江豚主要栖息地环境元素特征进行比对分析，进而尝试开展长江江豚野外死亡个体溯源研究，明晰长江江豚死亡水域及致危因素做前期积累，并为长江江豚栖息地保护与修复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验中分析的5 头长江江豚遗骸为2017—2018 年在长江下游及鄱阳湖沿岸发现的野外死亡个体(表1)。样本收集后迅速带回实验室置于-20 ℃冰柜中保存。依照张先锋[11]的鉴定方法确定年龄。样本解剖后，取其心、肾、肺、肝、肌肉、皮肤、脂肪、胃和肠9 种器官和组织用于元素分析。参照张淮城等[12]的具体取样方法，肌肉取背中部，肝取中部，心取左心室部分，肺和肾取左侧中部，胃壁取主胃，肠道取中段。样品用锡箔纸包裹后分别放在多聚乙烯袋中，置于-80 ℃超低温冰箱中保存以备分析。

表1 长江江豚样本信息

1.2 方法

用解剖刀切取各组织样品，并称其湿质量。将样品匀浆后放入不锈钢盘中，然后置于-20 ℃冰箱冷藏，经真空冷冻干燥机干燥48 h以上至恒重后，称其干质量，计算各组织器官的干湿质量比率。按照国家标准(GB17378.6—2007)和海洋行业标准(HY/T 132—2010)中的方法，准确称取0.1 g干样于微波消解罐中，分别加入王水、氢氟酸各3 mL，盖紧罐盖。将消解罐装入消解仪中，于150 ℃微波消解24 h，直至溶液澄清，待溶液冷却至室温后转移至25 mL容量瓶，用蒸馏水定容。样本过膜(0.2 μm)后使用电感耦合等离子体发射光谱仪(赛默飞-ICPA7400)测定，根据标准曲线算出各组织器官中钾K、钙Ca、钠Na、镁Mg、钴Co、铁Fe、铜Cu、锌Zn、锰Mn、铅Pb、镉Cd、汞Hg、砷As、铬Cr元素的含量，每个样本测定一次。

将长江江豚样本按照性别分为雌性组、雄性组，按照年龄分为S组(年龄≤3 a)、M组(3 a<年龄≤8 a)和L组(年龄>8 a)，按照发现水域将其分为长江下游组和鄱阳湖组。

1.3 数据分析

试验数据均采用平均值±标准差(mean±S.D.)表示。采用 SPSS 19.0 统计软件中的单因素方差分析(One-way ANOVA)法和Kruskal-Wallis法对长江江豚各组织器官中的元素含量进行统计检验分析，用Person方法分析不同年龄组元素含量的相关性,显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 长江江豚不同组织中元素的累积特征

长江江豚9种组织器官中的14种元素平均含量见表2。各样本组织中，K、Ca、Na、Mg 4种常量元素在长江江豚体内含量变幅分别为448.04～5 117.67、86.77～437.83、219.65～3 099.00、35.98～284.30 μg/g，平均含量依次为K>Na>Ca>Mg。K和Mg在心组织中的含量最高，Na和Ca在肠组织中的含量最高；4 种元素在脂肪中含量均最低；K、Na和Mg元素在各组织中存在差异，而Ca则无显著性差异(P>0.05)(表2)。

Zn、Fe、Cu、Co、Cr、Mn 6种必需微量元素在长江江豚体内含量变幅分别为12.51～374.16、55.45～1 092.88、0.17～4.34、0.003～0.07、0.23～0.68、0.31～9.29 μg/g，平均含量依次为Fe>Zn>Mn>Cu>Cr>Co；Zn在皮肤中的含量最高，Fe、Cu和Mn在肝中的含量最高，Cr在心组织中的含量最高，Co在肾组织中的含量最高；Zn、Fe、Co和Mn在脂肪中含量最低；Zn、Fe、Cu、Co和Mn元素在各组织中存在差异，而Cr则无显著性差异(P>0.05)(表2)。

Pb、Cd、Hg、As 4种毒性元素在长江江豚体内含量变幅分别为0.59～1.31、0.01～3.92、0.02～0.10、0～0.76 μg/g，平均含量依次为Pb>Cd>As>Hg；Pb和Hg在肝中的含量最高，Cd在肾中的含量最高，As在脂肪中的含量最高；Pb在脂肪中的含量最低，Cd在皮肤中的含量最低，Hg在胃中的含量最低，As在肝中未检测到；Cd元素在各组织中存在差异，而Pb、Hg和As则无显著性差异(P>0.05)(表2)。

表2 长江江豚不同组织中各元素的平均含量

2.2 不同性别、年龄和水域群体长江江豚组织内元素含量差异

2头雄性样本各组织中K、Ca、Na、Mg、Zn、Fe、Mn、Cr、Pb平均含量均大于3头雌性样本，3头雌性样本各组织中Cu、As、Cd、Hg平均含量均大于2头雄性样本；经Kruskal-Wallis检验，雌雄个体间总体上Ca元素含量存在显著性差异(P<0.05)，Cr元素含量存在极显著性差异(P<0.01)(表3)；雌雄个体间总体上Fe元素平均含量无显著性差异(P>0.05)，但在肺中，雌性Fe元素平均含量显著高于雄性(P<0.05)(图1)。

*表示该元素含量在雌雄长江江豚组织间具有显著性差异(P<0.05)。

S组样本各组织中K、Ca、Na、Mg、Zn、Mn平均含量均最高，M组样本各组织中Co、As平均含量均最高，L组样本各组织中Fe、Cu、Cr、Cd、Hg平均含量均最高；经Person相关性分析显示，不同年龄组个体间元素含量无显著相关性(P>0.05)(表3)。

1头鄱阳湖样本各组织中K、Ca、Na、Mg、Zn、Mn、Co、Cr、Pb平均含量均较高，4 头长江下游样本各组织中Fe、Cu、As、Cd、Hg平均含量均较高；经Kruskal-Wallis检验，不同水域个体间K、Ca、Na、Mg、Hg、As 6 种元素平均含量存在显著性差异(P<0.05)(表3)。

表3 长江江豚不同群体中各元素的平均含量

鄱阳湖样本心、肝、肾、肠、胃和皮肤中K、Ca、Na、Mg、Zn 元素平均含量均高于长江下游组样本，而鄱阳湖样本心、肝、肾、肺、肠、胃、脂肪和皮肤中As、Cd、Hg 3类毒性元素平均含量则均低于长江下游组样本(表4)。

表4 长江下游与鄱阳湖长江江豚样本体内元素平均含量的比较

3 讨论

3.1 长江江豚体内元素的分布特征

长江江豚体内元素在组织器官的累积具有一定的特征，这可能反映出不同元素在不同组织器官中特有的生理功能。研究表明，许多重金属的解毒过程和机体必需微量元素的代谢活动发生在肝中，本研究中，Fe、Cu、Mn等必需微量元素主要富集于肝，可能与肝的解毒和免疫功能相关；毒性元素Pb、Cd、Hg主要富集在肾，这应与肾的毒物代谢、转运和清除功能有关。

Zn在皮肤中含量最高，可能由于鲸类动物皮肤中需要大量的Zn以防止紫外线的伤害[13]。同时，Zn也是真皮细胞增殖和胶原沉积所必需的元素，在表皮创伤愈合过程中起着重要的作用[14]，长江江豚表皮常见因人类活动造成的创口，因此，其表皮上较高的Zn含量可能与伤口修复有关。As易于在鱼体脂肪中积累[15]，因此，长江江豚体内较高的As含量应与其食物链富集相关，此外，As通常以有机形式存在于组织中，具有脂溶性[16]，因此，长江江豚脂肪中As含量最高。Cd能与机体富含巯基的蛋白质或金属硫蛋白发生反应，形成乳糜泻储存在肾中，因此，肾中的较高Cd含量可能与乳糜泻高度稳定和持久的化学性质相关[17]。有研究显示，在中国珠江口西部水域Cd浓度达到峰值的同一年，有关印度太平洋座头海豚搁浅事件的报告增多[18]，这表明鲸豚类组织微量元素浓度可能反映水体微量元素污染状况。

为了更直观地表达各元素的累积特征，将本研究中长江江豚肝肾中的微量元素含量与中国其他水域豚类动物肝肾中的微量元素含量进行比较(表5)。结果显示，长江江豚与其他鲸豚类动物相比毒性元素差异较大，本研究中，长江江豚肾脏中Pb和Cd含量均高于白鱀豚，其平均含量分别为白鱀豚的6.1倍和12.3 倍；而长江江豚肝中Cd和肾中Hg含量明显低于东亚江豚，肝、肾中Hg含量远低于中华白海豚，因此，长江江豚受到的环境威胁可能小于沿海鲸豚类动物。这与中国自2002 年禁止使用含Pb、As、Hg的农药后，长江下游地区这些元素含量下降的报告结果一致[19-20]。值得注意的是，与白鱀豚相比，长江江豚体内Mn含量过高，其肝、肾中Mn平均含量分别为白鱀豚的9.5倍和7.1倍。Mn是脑发育和功能活动所必需的微量元素[21]，许多含Mn的酶与肝的免疫和解毒功能相关[22]，同时高Mn含量可能有神经毒性和生殖毒性[23]，这一因素在长江江豚野外死亡个体的解剖及病理分析时应予以关注。

表5 长江江豚与其他水域豚类肝肾中微量元素平均含量的比较

3.2 不同性别、年龄个体的元素分布特征差异

本研究结果显示，长江江豚大部分组织中的元素含量在雌雄个体间无显著性差异，但Ca、Cr含量有显著性差异(P<0.05)，这与对东亚江豚的研究结果一致[5]。但其他水域长江江豚[8]、中华白海豚[18,27]、印太江豚[26]及其他鲸豚类动物[28]的研究中均未发现雌雄个体间元素含量有显著差异。有研究表明，雌性个体体内元素会通过母婴传播传递给下一代[29]，因此，繁殖和喂养后代可能是造成雌性和雄性鲸豚类动物元素积累差异的重要原因。而本研究中无法确定雌性个体是否处于哺乳期，因此，雌雄个体体内元素差异原因还需进一步探究。此外，本研究中长江江豚体内毒性元素Cd和Hg含量在L组江豚中含量最高，但无显著性差异(P>0.05)，这与对其他水域长江江豚[8]、中华白海豚[18,27]、印太江豚[26]及其他鲸豚类动物[28]的研究结果一致。Cd和Hg均属于非必需微量元素，因此，它们在鲸豚类体内累积含量与年龄呈显著正相关应是通过食物链富集的结果[30]。而且，Hg在机体内可以转化为高度稳定和持久的有机Hg从而富集在脂肪中，且随年龄增加而增加[31]。本研究中还发现，长江江豚体内常量元素K、Na和Mg及微量元素Zn含量在L组江豚中含量最低，在鱼类和其他鲸豚类动物研究中亦有类似结果[32-34]。不同年龄个体元素的累积含量，一方面可能与其生理功能差异相关，另一方面亦可能与摄食率有关[35]。

3.3 不同水域个体的元素分布特征差异

鱼类环境毒理学研究显示，长江下游鱼类组织的Hg含量高于鄱阳湖水域[36]。另有研究也发现，2008 年以来长江下游沉积物中的微量元素污染趋于严重[37]。本研究中发现，长江下游采集的死亡个体组织Hg和As含量显著高于鄱阳湖个体，与前述调查结果一致；此外，安庆市降尘中Cd污染程度处于重污染至严重污染之间[38]，长江安庆段沉积物中重金属污染以Cd为主[39]。本研究中也发现，长江安庆段采集的死亡个体组织Cd含量较高，因此，长江江豚体内元素差异也可能与其栖息环境中的元素背景值相关。